一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明屬機(jī)電控制領(lǐng)域，具體涉及一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置及方法。該裝置是由計算機(jī)、單片機(jī)、控制信號光電隔離電路、線性非穩(wěn)壓電源、輸出電流控制電路、驅(qū)動電路、繞組電流采集電路、參考電壓比較電路、反饋信號光電隔離電路組成，計算機(jī)與單片機(jī)通訊實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置，單片機(jī)根據(jù)設(shè)置參數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路對步進(jìn)電機(jī)的高精度轉(zhuǎn)動，同時采集由繞組電流采集電路反饋的電流信號和實(shí)際行走脈沖數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了大功率步進(jìn)電機(jī)的高精度控制。
【專利說明】一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬機(jī)電控制領(lǐng)域，具體涉及一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于步進(jìn)電機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、誤差不累計等特點(diǎn)，在高精度位移臺、高精度 電動轉(zhuǎn)臺等精密測試設(shè)備領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
[0003] 目前步進(jìn)電機(jī)的控制方式大都采用功能單一的開環(huán)控制方式。其缺點(diǎn)有以下幾個 方面：
[0004] 1)驅(qū)動脈沖頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度不夠高而引起各相繞組通電周期不一致導(dǎo)致控 制精度低；
[0005] 2)驅(qū)動脈沖頻率不能根據(jù)負(fù)載需求和電機(jī)轉(zhuǎn)速要求隨意更改導(dǎo)致系統(tǒng)固有頻率 與驅(qū)動頻率發(fā)生諧振而發(fā)生顫振和嘯叫；
[0006] 3)傳統(tǒng)方式的細(xì)分控制通常是通過手動調(diào)節(jié)驅(qū)動器細(xì)分撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，不能根 據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時程控修改；
[0007] 4)由于傳統(tǒng)控制裝置驅(qū)動電流小且設(shè)定好后不能程控修改很難實(shí)現(xiàn)對大功率電 機(jī)的直接驅(qū)動，現(xiàn)階段多數(shù)使用的方法是通過絲杠或渦輪蝸桿等傳動方式犧牲轉(zhuǎn)速而提高 扭矩以實(shí)現(xiàn)大負(fù)載驅(qū)動能力，但這種方式會引入機(jī)械結(jié)構(gòu)件的齒間嚙合誤差和齒間空回， 使運(yùn)動精度下降，為了解決運(yùn)動精度的問題，多數(shù)設(shè)計者使用加裝編碼器作為反饋的方式， 但這無疑增加了設(shè)計成本和控制難度；
[0008] 5)多數(shù)驅(qū)動器自帶半流自鎖和全流自鎖功能，即在電機(jī)靜止時繞組上通過的工作 時的一半電流值或全部電流值使電機(jī)鎖定而不發(fā)生轉(zhuǎn)動，但當(dāng)用戶需要手動旋轉(zhuǎn)電機(jī)時需 要使控制電路斷電，操作不方便。
[0009] 由于上述技術(shù)問題，使得步進(jìn)電機(jī)在精密測試設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域中有一定的局限性， 很難同時保證大功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動能力和運(yùn)動精度，在測試設(shè)備的系統(tǒng)集成方面也很難 通過軟件程控實(shí)現(xiàn)用戶自己實(shí)際需求參數(shù)的修改，不便于系統(tǒng)集成下的自動控制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010] 為了解決技術(shù)背景中存在技術(shù)問題和局限性，本發(fā)明提出了一種可遠(yuǎn)程控制、控 制精度高、成本低并可實(shí)現(xiàn)手動控制的步進(jìn)電機(jī)的控制裝置及方法。
[0011] 本發(fā)明的具體技術(shù)方案是：
[0012] 一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，其特征在于：包括計算機(jī)、單片機(jī)、控制信號光電隔離 電路、線性非穩(wěn)壓電源、輸出電流控制電路、驅(qū)動電路、繞組電流采集電路、參考電壓比較電 路、反饋信號光電隔離電路；
[0013] 計算機(jī)與單片機(jī)相互連接；單片機(jī)輸出端經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后分別 與驅(qū)動電路的控制信號輸入端以及輸出電流控制電路的輸入端連接；輸出電流控制電路的 輸出端與驅(qū)動電路的電流信號輸入端連接；驅(qū)動電路的輸出端分別與步進(jìn)電機(jī)的輸入端以 及繞組電流采集電路的輸入端連接；繞組電流采集電路的輸出端與參考電壓比較電路的輸 入端連接；參考電壓比較電路的輸出端經(jīng)過反饋信號光電隔離電路隔離后與單片機(jī)連接；
[0014] 所述驅(qū)動電路上設(shè)置有線性非穩(wěn)壓電源。
[0015] 上述驅(qū)動電路采用雙全橋M0SFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；所述驅(qū)動電路最 高耐壓為50VDC，單相最大輸出電流為4. 5A，細(xì)分?jǐn)?shù)可設(shè)置等級為1/2、1/8、1/16、1/32、 1/40和1/64,并且能夠?qū)崿F(xiàn)20%、40%、60%和80%的繞組電流衰減。
[0016] 上述控制信號光電隔離電路以及反饋信號光電隔離電路的響應(yīng)時間均為45ns。
[0017] 基于上述控制裝置，現(xiàn)提出該裝置的的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0018] 1)參數(shù)設(shè)置：
[0019] 1. 1)計算機(jī)通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要設(shè)置的參數(shù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將接收到 的參數(shù)發(fā)回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)參數(shù)內(nèi)容輸出控制信號；單片機(jī)輸出的控制信號經(jīng)過控 制信號光電隔離電路隔離后送入驅(qū)動電路；所述控制信號包括細(xì)分、轉(zhuǎn)動方向、繞組電流衰 減方式；
[0020] 1. 2)計算機(jī)通過串口將驅(qū)動輸出電流值發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將接收到輸出電流 值發(fā)回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)輸出電流值查找存儲在RAM中的電流值與參考電壓對應(yīng)表 后輸出8bit數(shù)字電壓信號；
[0021] 1. 3)單片機(jī)輸出的8bit數(shù)字電壓信號經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后送入輸 出電流控制電路；
[0022] 1. 4)輸出電流控制電路將接收到的8bit數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓值 并送入驅(qū)動電路；
[0023] 2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動：
[0024] 2. 1)當(dāng)完成步驟1)后，計算機(jī)開始通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)發(fā)送 至單片機(jī)，單片機(jī)將收到的脈沖數(shù)發(fā)回至計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并輸出使能信號經(jīng)過控制信號光 電隔離電路隔離后使驅(qū)動電路輸出使能有效；
[0025] 2. 2)單片機(jī)運(yùn)用自身定時器產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)量且準(zhǔn)確度< IX 10_5、穩(wěn)定度< IX 10_7 的方波脈沖，并經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后傳輸至驅(qū)動電路；
[0026] 2. 3)驅(qū)動電路根據(jù)步驟1. 2)接收到的控制信號和輸出電流值對方波脈沖進(jìn)行功 率放大進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電路采用雙全橋M0SFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn) 電機(jī)；
[0027] 2.4)當(dāng)驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，繞組電流采集電路采集各相繞組串聯(lián)的 電阻上的電壓信號并傳輸至參考電壓比較電路；參考電壓比較電路將采集到的各相繞組電 壓信號絕對值相加并與單片機(jī)參考零電位進(jìn)行比較，若相等則參考電壓比較電路輸出低電 平經(jīng)過反饋信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)，若不相等則參考電壓比較電路輸出高電平 經(jīng)過反饋信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)；所述繞組電流采集電路各相繞組串聯(lián)的電阻為 2W/0. 1 Ω的大功率低阻值電阻；
[0028] 2. 5)當(dāng)單片機(jī)接收到持續(xù)高電平或低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常；當(dāng)單 片機(jī)接收到交替的高、低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
[0029] 3)結(jié)束驅(qū)動：
[0030] 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，驅(qū)動電路啟動半 流自鎖功能，使步進(jìn)電機(jī)停止工作。
[0031] 上述步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn)象；具體處理如下：
[0032] 參考電壓比較電路輸出的高、低電平脈沖數(shù)經(jīng)過反饋信號光電隔離電路隔離后反 饋至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)高電平脈沖數(shù)與細(xì)分的倒數(shù)相乘計算出繞組實(shí)際通過的電流脈沖 數(shù)，用以判斷步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生丟步現(xiàn)象，若發(fā)生丟步，則單片機(jī)發(fā)送補(bǔ)償脈沖實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電 機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動。
[0033] 上述步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；具體如下：
[0034] 當(dāng)單片機(jī)接收到來自參考電壓比較電路輸出信號常為高電平脈沖數(shù)時，單片機(jī)立 即控制使能失效使驅(qū)動電路停止輸出驅(qū)動電流，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī) 發(fā)送步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常標(biāo)志；所述異常標(biāo)志說明電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
[0035] 上述方法中若用戶需要手動轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)時，計算機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送手動 控制指令，單片機(jī)控制驅(qū)動電路使能端失效，電機(jī)失去自鎖功能，可手動轉(zhuǎn)動。
[0036] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0037] 1、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了大功率步進(jìn)電機(jī)的直接驅(qū)動，避免小功率步進(jìn)電機(jī)通過犧牲轉(zhuǎn)速 來實(shí)現(xiàn)扭矩的局限性；
[0038] 2、本發(fā)明采用單片機(jī)產(chǎn)生高準(zhǔn)確度的驅(qū)動脈沖，提高了步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性 和精度；
[0039] 3、本發(fā)明設(shè)置繞組電流采集電路通過采集繞組電流脈沖的方式進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)了 運(yùn)動補(bǔ)償，避免了丟步現(xiàn)象；
[0040] 4、本發(fā)明通過計算機(jī)與單片機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動參數(shù)（細(xì)分?jǐn)?shù)、轉(zhuǎn)動 方向、繞組電流、衰減方式）和運(yùn)行參數(shù)（轉(zhuǎn)動方向、轉(zhuǎn)動脈沖數(shù)）的遠(yuǎn)程控制，避免了手動 操作或外部設(shè)置的不方便因素，有利于系統(tǒng)的集成控制；
[0041] 5、本發(fā)明中當(dāng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動完畢后，單片機(jī)會向計算機(jī)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志；當(dāng)步進(jìn)電 機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)等異常時，單片機(jī)會向計算機(jī)發(fā)送異常標(biāo)志，有利于系統(tǒng)的自動控制；
[0042] 6、本發(fā)明通過計算機(jī)可遠(yuǎn)程控制步進(jìn)電機(jī)失電時實(shí)現(xiàn)手動操作，避免了外部切斷 電源方法帶來的不利因素。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡圖。
[0044] 1-計算機(jī)、2-單片機(jī)、3-控制信號光電隔離電路、4-線性非穩(wěn)壓電、5-輸出電流控 制電路、6-驅(qū)動電路、7-繞組電流采集電路、8-參考電壓比較電路、9-反饋信號光電隔離電 路、10 _步進(jìn)電機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 如圖1所示，本發(fā)明包括計算機(jī)1、單片機(jī)2、控制信號光電隔離電路3、線性非穩(wěn)壓 電源4、輸出電流控制電路5、驅(qū)動電路6、繞組電流采集電路7、參考電壓比較電路8、反饋信 號光電隔離電路9 ;
[0046] 計算機(jī)1與單片機(jī)2相互連接；單片機(jī)2輸出端經(jīng)過控制信號光電隔離電路3隔 離后分別與驅(qū)動電路6的控制信號輸入端以及輸出電流控制電路5的輸入端連接；輸出電 流控制電路5的輸出端與驅(qū)動電路6的電流信號輸入端連接；驅(qū)動電路6的輸出端分別與 步進(jìn)電機(jī)10的輸入端以及繞組電流采集電路7的輸入端連接；繞組電流采集電路的輸出端 7與參考電壓比較電路8的輸入端連接；參考電壓比較電路8的輸出端經(jīng)過反饋信號光電 隔離電路9隔離后與單片機(jī)2連接；
[0047] 驅(qū)動電路6上設(shè)置有線性非穩(wěn)壓電源4。
[0048] 其中，驅(qū)動電路6采用雙全橋M0SFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；所述驅(qū)動電路 最高耐壓為50VDC，單相最大輸出電流為4. 5A，細(xì)分?jǐn)?shù)可設(shè)置等級為1/2、1/8、1/16、1/32、 1/40和1/64,并且能夠?qū)崿F(xiàn)20 %、40 %、60 %和80 %的繞組電流衰減，可通過改變電流設(shè)定 端的參考電壓值控制驅(qū)動電流，根據(jù)實(shí)際使用需要使步進(jìn)電機(jī)繞組電流趨于平滑，使得轉(zhuǎn) 動更加穩(wěn)定；
[0049] 另外，該裝置中控制信號光電隔離電路3以及反饋信號光電隔離電路9用于的響 應(yīng)時間僅為45ns，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動脈沖周期，不會影響驅(qū)動電路6的脈沖響應(yīng)；
[0050] 控制信號光電隔離電路3以及反饋信號光電隔離電路9用于隔離單片機(jī)2避免單 片機(jī)2受到驅(qū)動電路6大電流的影響；
[0051] 由于驅(qū)動電路雙全橋M0SFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，輸出功率大，因此采用 線性非穩(wěn)壓電源4 (最大輸出電流8A)為驅(qū)動電路6供電；
[0052] 上述，是對本發(fā)明結(jié)構(gòu)和重要部件功能的描述，下面對本發(fā)明的控制方法進(jìn)行介 紹，具體步驟如下：
[0053] 步驟1)參數(shù)設(shè)置：
[0054] 步驟1. 1)計算機(jī)通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要設(shè)置的參數(shù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將 接收到的參數(shù)發(fā)回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)參數(shù)內(nèi)容輸出控制信號；
[0055] 其中，控制信號包括細(xì)分、轉(zhuǎn)動方向、繞組電流衰減方式；
[0056] 步驟1. 2)單片機(jī)輸出的控制信號經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后送入驅(qū)動電 路；
[0057] 步驟1. 3)計算機(jī)通過串口將驅(qū)動輸出電流值發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將接收到輸 出電流值發(fā)回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)輸出電流值查找存儲在RAM中的電流值與參考電壓 對應(yīng)表后輸出8bit數(shù)字電壓信號；
[0058] 步驟1.4)單片機(jī)輸出的8bit數(shù)字電壓信號經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后送 入輸出電流控制電路；
[0059] 步驟1. 5)輸出電流控制電路將接收到的8bit數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電 壓值并送入驅(qū)動電路；
[0060] 當(dāng)完成步驟1)，即單片機(jī)接收到計算機(jī)發(fā)送的控制信號、輸出電流值后開始驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī)；執(zhí)行以下步驟：
[0061] 步驟2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動：
[0062] 步驟2. 1)當(dāng)完成步驟1)后，計算機(jī)開始通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù) 發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將收到的脈沖數(shù)發(fā)回至計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并輸出使能信號經(jīng)過控制信 號光電隔離電路隔離后使驅(qū)動電路輸出使能有效；
[0063] 步驟2.2)單片機(jī)運(yùn)用自身定時器產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)量且準(zhǔn)確度< 1X10'穩(wěn)定度 < 1X 1〇_7的方波脈沖，并經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后傳輸至驅(qū)動電路；
[0064] 步驟2. 3)驅(qū)動電路根據(jù)步驟1. 2)接收到的控制信號和輸出電流值對方波脈沖進(jìn) 行功率放大進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電路采用雙全橋M0SFET恒流斬波方式驅(qū)動 步進(jìn)電機(jī)；
[0065] 步驟2. 4)當(dāng)驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，繞組電流采集電路采集各相繞組串 聯(lián)的電阻上的電壓信號并傳輸至參考電壓比較電路；參考電壓比較電路將采集到的各相繞 組電壓信號絕對值相加并與單片機(jī)參考零電位進(jìn)行比較，若相等則參考電壓比較電路輸出 低電平經(jīng)過反饋信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)，若不相等則參考電壓比較電路輸出高電 平經(jīng)過反饋信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)；
[0066] 其中，繞組電流采集電路各相繞組串聯(lián)的電阻為2W/0. 1 Ω的大功率低阻值電阻；
[0067] 該步驟中，由于步進(jìn)電機(jī)的兩相繞組的通電電流相差90°相位，且每個步距角按 照細(xì)分?jǐn)?shù)從零電流逐步增大至最大電流值進(jìn)行通電，只有在各相繞組交替時刻各相繞組 電壓信號絕對值之和為零，因此，步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，參考電壓比較電路會輸出高、低電 平交替的的脈沖信號；
[0068] 步驟2. 5)當(dāng)單片機(jī)接收到持續(xù)高電平或低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常； 當(dāng)單片機(jī)接收到交替的高、低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常；
[0069] 步驟3)結(jié)束驅(qū)動：
[0070] 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，驅(qū)動電路啟動半 流自鎖功能，使步進(jìn)電機(jī)停止工作。
[0071] 另外步驟2. 5中步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常分為兩種情況下，分別是步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn) 象以及步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象
[0072] 當(dāng)步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn)象；具體處理如下：
[0073] 參考電壓比較電路輸出的高、低電平脈沖數(shù)經(jīng)過反饋信號光電隔離電路隔離后反 饋至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)高電平脈沖數(shù)與細(xì)分的倒數(shù)相乘計算出繞組實(shí)際通過的電流脈沖 數(shù)，用以判斷步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生丟步現(xiàn)象，若發(fā)生丟步，則單片機(jī)發(fā)送補(bǔ)償脈沖實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電 機(jī)的補(bǔ)償運(yùn)動。
[0074] 當(dāng)步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；具體如下：
[0075] 當(dāng)單片機(jī)接收到來自參考電壓比較電路輸出信號常為高電平脈沖數(shù)時，單片機(jī)立 即控制使能失效使驅(qū)動電路停止輸出驅(qū)動電流，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī) 發(fā)送步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常標(biāo)志；所述異常標(biāo)志說明電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
[0076] 使用本發(fā)明的控制裝置，若步進(jìn)電機(jī)失電用戶需要手動轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)時，計算機(jī) 通過串口向單片機(jī)發(fā)送手動控制指令，單片機(jī)控制驅(qū)動電路使能端失效，電機(jī)失去自鎖功 能，可手動轉(zhuǎn)動。
【權(quán)利要求】
1. 一種步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，其特征在于：包括計算機(jī)、單片機(jī)、控制信號光電隔離電 路、線性非穩(wěn)壓電源、輸出電流控制電路、驅(qū)動電路、繞組電流采集電路、參考電壓比較電 路、反饋信號光電隔離電路； 計算機(jī)與單片機(jī)相互連接；單片機(jī)輸出端經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后分別與驅(qū) 動電路的控制信號輸入端以及輸出電流控制電路的輸入端連接；輸出電流控制電路的輸出 端與驅(qū)動電路的電流信號輸入端連接；驅(qū)動電路的輸出端分別與步進(jìn)電機(jī)的輸入端以及繞 組電流采集電路的輸入端連接；繞組電流采集電路的輸出端與參考電壓比較電路的輸入端 連接；參考電壓比較電路的輸出端經(jīng)過反饋信號光電隔離電路隔離后與單片機(jī)連接； 所述驅(qū)動電路上設(shè)置有線性非穩(wěn)壓電源。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，其特征在于：所述驅(qū)動電路采用雙全 橋MOSFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)；所述驅(qū)動電路最高耐壓為50VDC，單相最大輸出電 流為4· 5A，細(xì)分?jǐn)?shù)可設(shè)置等級為1/2、1/8、1/16、1/32、1/40和1/64,并且能夠?qū)崿F(xiàn)20 %、 40 %、60 %和80 %的繞組電流衰減。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的步進(jìn)電機(jī)的控制裝置，其特征在于：所述控制信號光電隔離 電路以及反饋信號光電隔離電路的響應(yīng)時間均為45ns。
4. 一種權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的控制裝置的控制方法，其特征在于，包括以 下步驟： 1) 參數(shù)設(shè)置： 1. 1)計算機(jī)通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要設(shè)置的參數(shù)傳輸至單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的參 數(shù)發(fā)回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)參數(shù)內(nèi)容輸出控制信號；單片機(jī)輸出的控制信號經(jīng)過控制信 號光電隔離電路隔離后送入驅(qū)動電路；所述控制信號包括細(xì)分、轉(zhuǎn)動方向、繞組電流衰減方 式； 1. 2)計算機(jī)通過串口將驅(qū)動輸出電流值發(fā)送至單片機(jī)，單片機(jī)將接收到輸出電流值發(fā) 回計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并根據(jù)輸出電流值查找存儲在RAM中的電流值與參考電壓對應(yīng)表后輸 出8bit數(shù)字電壓信號； 1.3)單片機(jī)輸出的8bit數(shù)字電壓信號經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后送入輸出電 流控制電路； 1. 4)輸出電流控制電路將接收到的8bit數(shù)字電壓信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的模擬電壓值并送 入驅(qū)動電路； 2) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動： 2. 1)當(dāng)完成步驟1)后，計算機(jī)開始通過串口將步進(jìn)電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)發(fā)送至單 片機(jī)，單片機(jī)將收到的脈沖數(shù)發(fā)回至計算機(jī)實(shí)現(xiàn)握手并輸出使能信號經(jīng)過控制信號光電隔 離電路隔離后使驅(qū)動電路輸出使能有效； 2. 2)單片機(jī)運(yùn)用自身定時器產(chǎn)生對應(yīng)數(shù)量且準(zhǔn)確度< IX 10'穩(wěn)定度< IX 1(Τ的方 波脈沖，并經(jīng)過控制信號光電隔離電路隔離后傳輸至驅(qū)動電路； 2. 3)驅(qū)動電路根據(jù)步驟1. 2)接收到的控制信號和輸出電流值對方波脈沖進(jìn)行功率放 大進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動；所述驅(qū)動電路采用雙全橋MOSFET恒流斬波方式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)； 2. 4)當(dāng)驅(qū)動電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，繞組電流采集電路采集各相繞組串聯(lián)的電阻上 的電壓信號并傳輸至參考電壓比較電路；參考電壓比較電路將采集到的各相繞組電壓信號 絕對值相加并與單片機(jī)參考零電位進(jìn)行比較，若相等則參考電壓比較電路輸出低電平經(jīng)過 反饋信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)，若不相等則參考電壓比較電路輸出高電平經(jīng)過反饋 信號光電隔離電路反饋至單片機(jī)；所述各相繞組串聯(lián)的電阻為2W/0. 1 Ω的大功率低阻值 電阻； 2. 5)當(dāng)單片機(jī)接收到持續(xù)高電平或低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)不正常；當(dāng)單片機(jī) 接收到交替的高、低電平時，則認(rèn)為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常； 3)結(jié)束驅(qū)動： 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)完成轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī)發(fā)送結(jié)束標(biāo)志，驅(qū)動電路啟動半流自 鎖功能，使步進(jìn)電機(jī)停止工作。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的丟步現(xiàn)象；具體處理如下： 參考電壓比較電路輸出的高、低電平脈沖數(shù)經(jīng)過反饋信號光電隔離電路隔離后反饋至 單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)高電平脈沖數(shù)與細(xì)分的倒數(shù)相乘計算出繞組實(shí)際通過的電流脈沖數(shù)， 用以判斷步進(jìn)電機(jī)是否發(fā)生丟步現(xiàn)象，若發(fā)生丟步，則單片機(jī)發(fā)送補(bǔ)償脈沖實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī) 的補(bǔ)償運(yùn)動。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟2. 5)步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn)轉(zhuǎn)不正常為步進(jìn)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象；具體處理如下： 當(dāng)單片機(jī)接收到來自參考電壓比較電路輸出信號常為高電平脈沖數(shù)時，單片機(jī)立即控 制使能失效使驅(qū)動電路停止輸出驅(qū)動電流，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，單片機(jī)通過串口向計算機(jī)發(fā)送 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)異常標(biāo)志；所述異常標(biāo)志為電機(jī)堵轉(zhuǎn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制裝置的控制方法，其特征在于： 若用戶需要手動轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)時，計算機(jī)通過串口向單片機(jī)發(fā)送手動控制指令，單片 機(jī)控制驅(qū)動電路使能端失效，電機(jī)失去自鎖功能，可手動轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】H02P8/14GK104092418SQ201410264201
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】龍江波, 趙建科, 段亞軒, 昌明, 曹昆, 聶申 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所